郭守敬自幼承祖父郭榮家學，精通天文、數(shù)學、水利等學問。至元十三年（公元1276年），元世祖忽必烈攻克南宋都城臨安，在統(tǒng)一前夕下令制定新歷法，并成立了新的歷法管理機構——太史局，由張文潛等人主持。太史局由王勛任局長，郭守敬輔佐。在學術方面，王勛負責計算，郭則負責制儀、觀測。

至元十五年（或十六年）郭守敬主持修訂了哪本書，史局改名為史館，王勛任史館長，郭守敬任史館副館長，并設立觀象臺。當時楊公儀等人也來一起工作。經(jīng)過四年的艱苦努力，終于在至元十七年編纂出新歷，并被忽必烈命名為《述史歷》。

受時歷是中國古代十分完善的歷法。王巡、郭守敬等人研究分析了漢代以來的四十余種歷法，博采眾長，堅持制歷要“明歷理”（王巡）、“歷之本在試，試之器郭守敬主持修訂了哪本書，無非器”（郭守敬），采取理論聯(lián)系實際的科學態(tài)度，取得了許多重要成果。

郭守敬與王勛、許衡等人共同編纂了我國古代最先進、使用時間最長的歷法《述實歷》。為了編纂歷法，他創(chuàng)制和改進了建儀、高表、后紀儀、渾天象、陽儀、歷云儀、景福儀、奎儀等十多種天文儀器。他還在全國設立了27個觀測站，進行了大規(guī)模的“四海測量”。測得北極高程平均誤差僅為0.35；新測28星座距離，平均誤差在5′以內(nèi)；確定了黃道傾角新值，誤差只有1′多；取回歸年長度為365.2425天，與現(xiàn)行公歷值完全一致。

郭守敬所撰天文歷法著作十四部，包括《推部》、《歷成》、《歷儀稿》、《儀相法式》、《上中下三歷注事》、《修社元歷》等，共計105卷。

為了紀念郭守敬的功績，人們把月球背面的一個隕石坑命名為“郭守敬隕石坑”，把2012號小行星命名為“郭守敬小行星”。

郭守敬設計和主持修歷的新儀器有：監(jiān)儀、高表、后紀儀、靈籠儀、陽儀、歷云儀、正歷儀、景符、窺儀、日食儀和晷計計時儀等十二種（史書記載有十三種，也有研究者認為最后一種可能既是晷計又是計時儀器）。

郭守敬在大都（今北京）三年半內(nèi)測量了日晷影約200次，確定了元朝開元十四年至十七年的冬至時間。他還根據(jù)可靠的史料推算，得出一個回歸年的長度為365.2425天。這一數(shù)值與當今世界上普遍使用的公歷數(shù)值相同。

自西漢劉歆創(chuàng)立三通歷以來，中國古代歷法一直采用上元積年和日法計算。唐宋時期，曹詩等人試圖加以改變。受始歷則徹底廢除上元積年，以至元十七年冬至為計算起點，以至元十八年為“元”，即元始年。所用數(shù)據(jù)一律四舍五入到100，即采用100的十進制，廢除日法分數(shù)表示法。

晚年郭守敬致力于河工水利，曾任京師水利總管。元二十八年至三十年，他提出并完成了大都至通州的運河工程（即百福渠、通惠河）。元三十一年，郭守敬升任昭文宮大學士，兼任御史大夫。在主持河工期間，他制作了一些精美的鐘表。